Wärmekraftkopplung (WKK) ist im Prinzip eine Heizung, die gleichzeitig
Strom produziert. Oder ein Kraftwerk, das auch Wärme liefert ¿ zum
Heizen, für Warmwasser, für Prozesse oder zum Kühlen. WKK
produziert Strom und Wärme dezentral dort, wo man sie braucht. Weil
im Winter mehr Wärme gebraucht wird, steigt auch die Stromproduktion ¿ dies
entspricht dem Bedarf. Aus thermodynamischer Sicht geht bei der Erzeugung
von Wärme im Heizkessel die Arbeitsfähigkeit (Exergie) des Brennstoffs
verloren. Wärme ist Anergie, sie lässt sich nicht mehr in andere
Energieformen umwandeln ¿ im Gegensatz zur Exergie: Aus Strom wird
z. B. Licht, Bewegung, Wärme. Wärmekraftkopplung nutzt durch
Erzeugung elektrischen Stroms die Exergie des Brennstoffs. Der Wert einer
Energieform hängt von ihrem Exergiegehalt ab. Deshalb ist Strom in
der Regel teurer als Wärme ¿ und dies macht WKK wirtschaftlich.
WKK-Anlagen sind meist Blockheizkraftwerke (BHKW), d. h. die Kombination
von Verbrennungsmotor und Generator mit Abwärmenutzung aus Motorenkühlung
und Abgas, < 5 kWe auch Mini-BHKW genannt, < 1kWe Micro-BHKW. Gasturbinen
eignen sich vor allem für die Industrie (ab ca. 1 MW). Erzeugt der
Dampf aus dem Abhitzekessel der Gasturbine mit einer Dampfturbine nochmals
Strom, spricht man von Kombi- oder GuD (Gas und Dampf) Anlagen. Kleine
Geräte bezeichnet man als Microgasturbinen (ca. 30-300 kWe, Strom-Wirkungsgrad
25-30 %, Gesamt- Wirkungsgrad ca. 80 %). Stirlingmotoren, bei denen die
Flamme eines Brenners einen oder mehrere Kolben treibt (externe statt interne
Verbrennung im Zylinder von Verbrennungsmotoren), sind vorgesehen für
Mini- oder Micro- BHKW. Neu sind BHKW als Dampf-Entspannungs-Geräte:
Ein Gasbrenner sorgt für Dampf, der einen Kolben treibt (= Strom);
die Restwärme dient zum Heizen. Die Geräte können ihre Leistung
modulieren (0,2-3 kWe, 2-16 kWth). Zur Wärmekraftkopplung zählen
auch Brennstoffzellen, die elektrochemisch Strom und Wärme erzeugen,
indem sie die unterschiedliche Mobilität der Elektronen zweier Materialien
ausnützen, nämlich das sog. Potentialgefälle zwischen Wasserstoff
(meist aus Erdgas) und Sauerstoff, die an einem speziellen Elektrolyten
zusammenkommen. Brennstoffzellen sind lieferbar mit 200 kWe (Elektrolyt
= Phosphorsäure) und 250 kWe (Elektrolyt = Schmelzkarbonat), aber
sehr teuer.
Gasmotoren sind Ottomotoren, d. h. Fremdzünder mit Zündkerzen.
Ihr Strom-Wirkungsgrad liegt bei Mini-BHKW bei rund 25 %, mittlere Anlagen
bei 33-39 %, über 1 MW bei 40-43 %. Mit Wärmenutzung beträgt
der Gesamt-Wirkungsgrad 90-95 %, mit Abgas-Kondensation bis über 108
%. Gasmotoren werden in BHKW meist mit Nennlast betrieben. Gewisse Motoren
gestatten Teil- und Überlast. Von 3-20 kWe sind Gas-BHKW mit stufenloser
Leistungsregelung erhältlich, welche die Wärmeabgabe wie ein
modulierender Gaskessel an den jeweiligen Bedarf anpassen können;
die Wechselrichterelektronik hält die Stromspannung
konstant.
Der Grenzwert der Luftreinhalteverordnung (LRV) für Stickoxid (NOx)
bei Gas- und Dieselmotoren beträgt 250 mg/m3 (5%O2). Dies unterschreiten
einige Gas Magermotoren dank einem mageren Gas/Luft- Gemisch, d. h. mit «zu
viel» Luft und «zu wenig» Brennstoff. Gas- Magermotoren
haben meist Turbolader. Es ergibt sich ein hervorragendes Platzbedarf/Leistungsverhältnis.
Bei tieferen Grenzwerten (Massnahmegebiete), benötigen Magermotoren
SCR-Katalysatoren (SCR= Selective catalytic reduction) mit Harnstoffeindüsung.
Harnstoff wird u. a. als Dünger verwendet, in fester Form angeliefert
und an Ort mit Flüssigkeit gemischt. Spezielle SCR-Katalysatoren erreichen
extrem tiefe Schadstoffwerte z. B. für CO2-Begasung in Gärtnereien.
Am häufigsten wird jedoch der Lambda-1-Gasmotor mit Dreiwege- Katalysator
wie beim Auto verwendet. Auch dieses System eignet sich problemlos für
alle Massnahmegebiete (< 50 mg/m3 NOx). Generell gelten die CO2-Vorteile
von Erdgas auch für Erdgas-BHKW im Vergleich zu Heizöl. Mit Betriebs-Schwerpunkt
im Winter (höherer CO2-belasteter Importanteil am Strommix) ist die
CO2-Bilanz, bezogen auf den europäischen UCTE-Strommix,
positiv.
BHKW sollten (ausser Mini) nur die Wärme-Grundlast abdecken (lange
Motorlaufzeit). Den Rest besorgt ein Kessel. Überschüssige Wärme
wird gespeichert. Wichtig ist das Speichermanagement: Bei gutem Preis für
Hochtarif- oder Spitzenstrom muss der Speicher die bei Stromerzeugung anfallende
Wärme aufnehmen können. Deshalb sind bei der Auslegung die Rücknahmetarife
der EVU zu beachten. Ideal wäre die Verwendung der gesamten Stromproduktion
im eigenen Haus. Notstrom ist möglich mit Zusatzausrüstung. Bei
Grossanlagen lohnt es sich, mit dem EVU Verträge über Spitzen-
oder Austausch
von Notstromlieferungen abzuschliessen.
Der Niedrigenergie- Standard bewertet Strom mit Faktor 2: Die doppelte
Menge des im Haus erzeugten Stroms kann von der Bilanz abgezogen werden.
So erreicht man Niedrigenergie-Standard je nach Objekt auch mit Einsparungen
an der Gebäudehülle, ohne Sonnenkollektoren oder dort, wo keine
Wärmepumpe möglich ist. Modulierende BHKW mit kleiner Leistung
sind zu bevorzugen, weil sie übers Jahr die höchste bilanzwirksame
Stromproduktion erzielen
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